BR112020025255A2 - Dispositivo turbogerador de rankine compacto para co- geração distribuída de calor e eletricidade - Google Patents

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Abstract

dispositivo turbogerador de rankine compacto para cogeração distribuída de calor e eletricidade. dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade compreendido por: a) um sistema de geração de calor conectado a um gerador de vapor, um condensador e um fluido de trabalho interno, em que o referido vapor é obtido por combustão externa de um combustível adequado em uma caldeira e / ou por condução de gases quentes externos para uma caldeira; b) um sistema gerador de energia elétrica composto por: i) uma ou mais turbinas radiais e / ou axiais; ii) um gerador elétrico de fluxo axial; e iii) um inversor de controle eletrônico. o combustível pode ser sólido, líquido ou gasoso. tanto a turbina quanto o gerador elétrico têm mancais magnéticos passivos e mancais eletrodinâmicos. o equipamento não utiliza selos mecânicos, pois todas as peças móveis estão alojadas dentro do fluido de trabalho, a contenção de pressão do fluido de trabalho.

Description

“DISPOSITIVO TURBOGERADOR DE RANKINE COMPACTO PARA CO- GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE CALOR E ELETRICIDADE” CAMPO DE INVENÇÃO
[0001] A presente invenção se refere ao campo de equipamentos de geração elétrica e térmica. Especificamente, a presente invenção se refere a dispositivos ou pequenos equipamentos para cogerar eletricidade e calor.
ANTECEDENTES
[0002] Equipamentos de geração distribuída são sistemas de geração elétrica de baixa potência (abaixo de
1.000 kW) que podem complementar parte do consumo de energia de uma instalação do usuário (sem afetar a rede) ou injetar energia na rede sem exigir modificações.
[0003] Os sistemas de cogeração são dispositivos ou instalações fixas que usam o calor residual de um equipamento de geração de energia para suprir total ou parcialmente a necessidade de calor dos usuários. Por outro lado, existem sistemas de co-geração que utilizam o calor residual de um processo térmico (fornos, caldeiras, etc.) para gerar eletricidade.
[0004] Esta invenção é capaz de funcionar em qualquer um dos dois esquemas, ou seja, produzindo calor por conta própria ou usando calor residual externo. Em ambos os casos, o dispositivo gera eletricidade que complementa parcial ou totalmente o consumo de energia do usuário e reduz significativamente a necessidade total de combustível, fornecendo energia térmica e elétrica em conjunto, em vez de separadamente.
[0005] A maneira de conseguir isso é baseada na implementação de um ciclo térmico do tipo Rankine (líquido- vapor) que aciona uma microturbina de alta velocidade que aciona um gerador de ímã permanente. A energia elétrica é fornecida à rede local (instalações do usuário) por inversores eletrônicos.
[0006] Existem inúmeras alternativas técnicas para alcançar a cogeração de calor e eletricidade. A máquina térmica pode ser baseada em vários ciclos, como Bryton, Otto, Diesel e Stirling. O gerador elétrico pode ser sincronizado com a rede ou alimentar um inversor eletrônico. Pode haver um acoplamento direto entre a máquina térmica e o gerador ou pode haver uma caixa intermediária fixa ou variável de redução. Existem até sistemas baseados em células de combustível, caso em que a máquina térmica e o gerador elétrico são o mesmo dispositivo.
[0007] Os sistemas de cogeração existentes na técnica enfrentam os seguintes problemas técnicos que o dispositivo desta aplicação pretende superar: a) As máquinas baseadas nos ciclos Otto e Diesel (motores a pistão) são extremamente sensíveis ao tipo e qualidade do combustível que utilizam. Devem ter características bem controladas como índice de octano, viscosidade, teor de impurezas, umidade, etc. Além disso, devido ao mecanismo interno que utilizam, seus componentes estão sujeitos a grandes esforços de fricção. Portanto, requerem sistemas de lubrificação complexos e manutenção preventiva regular e rigorosa. b) As máquinas que utilizam o ciclo de Bryton (turbina a gás) eliminam parcial ou totalmente a necessidade de lubrificação por serem compostas por um número significativamente menor de peças móveis. Seu principal problema é a sensibilidade à qualidade do combustível. Ao usar combustão interna, as impurezas presentes no combustível podem causar graves problemas de corrosão pós- combustão nos componentes mais termicamente e mecanicamente necessários. c) Máquinas do tipo Stirling (sistemas de pistão duplo) resolvem a sensibilidade ao combustível usando câmaras de combustão externas. Eles não resolvem o problema de lubrificação porque usam pistões. O principal problema com as máquinas Stirling é o grande tamanho que elas requerem para produzir energia semelhante à dos sistemas anteriores.
[0008] O documento publicado como US 6.234.400 refere-se a um dispositivo de cogeração de calor e eletricidade para edifícios e residências, onde o condensador do ciclo térmico é um refrigerador de ar e / ou tanque acumulador de água quente para aquecimento. Ele usa um gerador elétrico de fluxo radial acoplado externamente a um expansor tipo espiral de baixa velocidade. Não especifica o tipo de mancal ou lubrificante usado, que parece ser convencional.
[0009] O documento publicado como US 2006/220388 refere-se a um grupo turbo Bryton / Rankine combinado em que as turbinas e o compressor são montados no mesmo eixo que o ímã permanente e o gerador elétrico de fluxo radial. O conjunto é alojado dentro da mesma carcaça e suportado por mancais convencionais. O fluido de trabalho da turbina Rankine é isolado do resto por selos mecânicos convencionais.
[00010] A empresa General Electric oferece, sob licença da Calentix Technologies, o dispositivo GE CleanCycle. É um ciclo Rankine orgânico que alimenta um conjunto turbina-gerador de alta velocidade alojado dentro de um recipiente selado, sem selos mecânicos e livre de lubrificação. Neste caso, o gerador elétrico é do tipo radial. O conjunto rotativo é suportado por mancais magnéticos ativos que, ao contrário de um sistema totalmente passivo, requer um complexo eletrônico de controle e uma fonte de alimentação constante. Em caso de corte total da energia, um mancal magnético ativo pode expor o eixo ao contato mecânico direto com o estator, causando grandes danos.
[00011] Capstone Turbine Corporation desenvolve turbo geradores compactos Bryton, em que o conjunto turbina- compressor-gerador é sustentado por mancais de ar passivos. Neste caso, o gerador elétrico é do tipo radial e os mancais de ar baseiam-se em um fenômeno reológico dependente das propriedades do gás (tipicamente ar) e sujeito a desgaste mecânico durante o acionamento e desligamento. Além disso, a combustão interna do ciclo de Bryton o torna altamente sensível ao tipo e qualidade do combustível.
SUMARIO DA INVENÇÃO
[00012] A presente invenção é um dispositivo compacto de geração de calor e energia, que utiliza combustíveis de vários tipos (hidrocarbonetos gasosos ou líquidos, biocombustíveis, matéria orgânica sólida, etc.) como fonte de energia. O referido dispositivo permite fornecer energia elétrica a uma rede de baixa tensão isolada ou interconectada, enquanto fornece calor a um fluido de resfriamento externo que pode ser usado como fonte de aquecimento ou calor para outros processos.
[00013] A invenção baseia-se na utilização de tecnologias novas e pouco conhecidas industrialmente, tais como: geradores de fluxo axial e baixa histerese; mancais magnéticos passivos; e mancais eletrodinâmicos passivos.
[00014] Por sua vez, a invenção faz parte de um grupo de tecnologias existentes e amplamente difundidas, tais como: queimadores a gás, diesel e pellets; trocadores de calor de casco e tubo, trocadores de calor de placas, trocadores de calor de tubos concêntricos; microturbinas radiais e axiais; bombas centrífugas e de deslocamento positivo; eletrônica de potência e microcontroladores.
[00015] A utilização de microturbinas, geradores elétricos com baixa histerese e mancais magnéticos passivos conferem a esta invenção características operacionais superiores em relação ao estado da técnica atual, em termos de alta confiabilidade operacional e requisitos mínimos de manutenção.
[00016] A utilização de queimadores externos de combustível e trocadores de calor conferem a esta invenção uma versatilidade superior ao estado da técnica atual, em termos de tipos e qualidades de combustíveis admissíveis.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[00017] A Figura 1 é uma vista esquemática de uma modalidade da invenção, em que o combustível é usado como uma fonte de energia.
[00018] A Figura 2 é uma vista esquemática de uma modalidade alternativa da invenção, em que o calor residual de outro processo é usado.
[00019] A Figura 3 é uma vista em corte do sistema rotativo.
[00020] A Figura 4 é uma seção esquemática do gerador de fluxo axial.
[00021] A Figura 5 é uma seção esquemática de uma extremidade do eixo 17.
[00022] A Figura 6 mostra três vistas de um dispositivo compacto de geração de calor e energia e suas dimensões são comparadas tomando como referência a silhueta de um adulto humano médio.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[00023] A presente invenção é um dispositivo compacto de geração de calor e energia, que utiliza combustíveis de vários tipos (hidrocarbonetos gasosos ou líquidos, biocombustíveis, matéria orgânica sólida, etc.) como fonte de energia. O dispositivo também é capaz de usar o calor residual de outro processo independente como fonte de energia para gerar eletricidade.
[00024] A Figura 1 mostra um queimador de combustível 13, uma turbina de alta pressão 01, uma turbina de baixa pressão 02 e um recuperador de calor para o fluido de resfriamento 07.
[00025] Uma bomba hidráulica 04 bombeia um fluido de trabalho interno sob um estado líquido de alta pressão (por exemplo, água ou algum fluido orgânico) para um lado de um trocador de calor 05. Do outro lado do trocador de calor 05 circula uma mistura de gases quentes da queima de algum combustível gasoso, líquido ou sólido 12 em um queimador adequado para seu tipo 13. A Figura 2 mostra uma variante deste esquema, em que gases residuais quentes de outra máquina ou processo independente 32 são conduzidos adequadamente 33 para o trocador de calor 05. Neste esquema, o próprio combustível não é queimado.
[00026] A Figura 3 mostra o sistema rotativo compreendendo duas turbinas 01 e 02, o gerador de energia 09, os mancais magnéticos passivos 14, um mancal eletrodinâmico 15 e a contenção de pressão do grupo turbo completo 16.
[00027] O fluido de trabalho é aquecido no trocador de calor 05 e passa por uma mudança de fase até se tornar um vapor seco ou levemente úmido e é conduzido para uma turbina 01 na qual fornece energia mecânica em detrimento da redução de sua pressão e temperatura. Em uma alternativa à invenção, o fluido de trabalho é conduzido para uma segunda turbina 02, onde sofre uma segunda expansão e resfriamento, fornecendo mais potência mecânica.
[00028] O fluido de trabalho em baixa pressão entra em um dos lados de um trocador de calor 03 onde é resfriado para sofrer uma condensação total e então é direcionado de volta para a bomba hidráulica 04, sempre permanecendo dentro de um circuito fechado e hidraulicamente isolado do resto do sistema e o meio ambiente.
[00029] Um fluido de resfriamento 06 circula pelo outro lado do trocador de calor 03 e absorve o calor fornecido pelo fluido de trabalho do dispositivo. Este refrigerante, que não tem contato direto com o fluido de trabalho, passa por um trocador de calor 07 para absorver o calor residual dos gases de combustão do queimador 13 ou dos gases quentes de um processo externo e, assim, aumentar sua temperatura e a eficiência geral de o dispositivo. Este fluido de resfriamento de temperatura mais alta 08 permite que o excesso de calor seja transportado para ser utilizado no aquecimento de edifícios ou como fonte de calor para diversos processos industriais. Em uma alternativa da invenção, o refrigerante não passa pelo trocador de calor 07 e é conduzido diretamente para uma torre de resfriamento.
[00030] As turbinas 01 e 02 giram solidariamente com um eixo que também contém o rotor de um ímã permanente e gerador elétrico de fluxo axial 09. O referido grupo turbo gira a uma velocidade alta e variável e permite que o gerador forneça energia elétrica na forma de alta corrente alternada de frequência. Um dispositivo eletrônico 10 adapta a energia elétrica fornecida pelo gerador e a injeta em uma rede elétrica de baixa tensão (por exemplo, 380 V) à qual várias cargas podem ser conectadas. A rede de baixa tensão pode ou não ser conectada a uma rede maior de distribuição de eletricidade.
[00031] O grupo turbo é suportado e centrado radialmente por mancais magnéticos passivos radiais 14. O referido grupo turbo pode ser orientado verticalmente ou horizontalmente e mantém sua posição axial por meio de um ou mais mancais eletrodinâmicos passivos 15 operando acima de uma certa velocidade de rotação. Enquanto gira em alta velocidade, o grupo turbo fica livre de contato mecânico com o resto do dispositivo, apoiado e estabilizado apenas por forças eletromagnéticas passivas.
[00032] O grupo turbo, as bobinas do gerador elétrico, os mancais magnéticos passivos 14, o mancal eletrodinâmico 15 e outros sistemas de suporte para a partida estão completamente alojados dentro de um recipiente vedado 16 que mantém o fluido de trabalho dentro do circuito fechado mencionado anteriormente.
[00033] A Figura 4 mostra o gerador de fluxo axial 09 compreendendo dois ou mais discos de rotor 18 conectados ao eixo 17 cada um contendo os ímãs permanentes 19. Entre cada par de discos estão localizados os estatores com o enrolamento 22 e o núcleo ferromagnético 21 com seus respectivos dutos de resfriamentos 24. Ou seja, o gerador elétrico de fluxo axial 09 é formado por um conjunto de rotor e um conjunto de estator. O conjunto de rotor é fixado ao eixo do grupo turbo 17 e tem um número par de ímãs permanentes 19 engatados em discos não ferromagnéticos 18 e voltados um para o outro em uma configuração de atração. O gerador pode conter dois ou mais discos com ímãs. Na face externa dos discos de cada extremidade, um disco de material ferromagnético 20 solidário com o rotor fecha o circuito magnético.
[00034] O conjunto de estator aloja os condutores 22 que são enrolados em torno de numerosos núcleos de material ferromagnético de alta resistência elétrica 21. Esses núcleos permitem fechar o circuito magnético entre cada par de ímãs opostos. A periferia externa dos condutores está em contato com um material termicamente condutor 23 que dissipa o calor interno em direção ao alojamento do gerador. Os dutos de circulação 24 dentro do condutor térmico e do núcleo ferromagnético permitem o fluxo de gás de processo induzido por forças viscosas entre o rotor e o estator. Esse fluxo aumenta a remoção e o transporte de calor nas áreas mais internas do estator.
[00035] A Figura 5 mostra a localização de um dos mancais magnéticos passivos 14 compreendidos por um ímã móvel 25 e um ímã fixo 26 juntamente com o batente do eixo 28 e um mancal auxiliar para partida e parada 29. Na mesma extremidade do eixo é mostrado o mancal eletrodinâmico 15 formado por um disco condutor 30 em solidariedade com o eixo e um conjunto de ímãs permanentes fixos 31. O grupo turbo é sustentado radialmente por dois mancais magnéticos passivos 14 próximos às extremidades de seu eixo 17. Cada mancal é formado por um ou mais pares de ímãs anulares concêntricos e permanentes, sendo um móvel 25 e o outro fixo 26. Este último está localizado em um registro axial 27 que permite seu correto alinhamento apesar da diferença de comprimento que possa existir entre o grupo turbo e o estator do conjunto. A estabilização da posição axial do grupo turbo é alcançada por um ou mais mancais eletrodinâmicos compreendendo um disco condutor sólido ou perfurado fixado ao eixo 30 e dois conjuntos de ímãs permanentes 31 voltados um para o outro em configuração de repulsão apoiados por discos fixos. Essa configuração pode ser invertida, conforme mostrado na Figura 3, onde o disco acionador é fixado ao alojamento e os discos que sustentam os imãs giram junto com o eixo.
[00036] As novas características técnicas do presente dispositivo são:
1. Utiliza como usina uma turbina acionada por um ciclo térmico líquido-vapor (tipo Rankine) e um gerador elétrico de baixa histerese e fluxo axial, montado no mesmo eixo. Desta forma, o gerador elétrico pode operar em alta velocidade (alta frequência) de forma eficiente. Embora as usinas elétricas do ciclo Rankine tenham sido divulgadas, elas tendem a ser grandes. Alguns sistemas geradores compactos usam ciclos Rankine, mas geralmente interpõem uma redução de velocidade entre a turbina e o gerador, que é sincronizado com a rede.
2. Não requer lubrificação em nenhum de seus componentes. O sistema rotativo compreendendo a turbina e o gerador não requer nenhum tipo de lubrificação já que utiliza mancais magnéticos e eletrodinâmicos, livres de atrito mecânico. Os geradores tradicionais (geradores elétricos, incluindo grandes usinas de energia) usam óleo lubrificante em todas as suas partes rotativas e de atrito. Os mancais deste dispositivo, movidos por forças eletromagnéticas passivas, também não requerem monitoramento e controle eletrônico como os mancais magnéticos ativos.
3. As fontes de calor e resfriamento são completamente externas ao ciclo térmico. Ao contrário dos motores a pistão ou turbinas a gás (ciclo de Bryton), este sistema queima combustível externamente, de forma semelhante a uma caldeira. Normalmente, esse método é usado em grandes usinas de energia, mas não em pequenos equipamentos.
[00037] Em relação às características técnicas anteriores, podem ser observadas as seguintes vantagens:
1. Reduz significativamente o número de peças móveis por não usar redutores de velocidade. Não requer selos mecânicos, pois a turbina e o gerador elétrico estão contidos no mesmo recipiente selado e inundados no fluido de trabalho. Essas características fornecem um aumento no desempenho geral do sistema.
2. Requer muito pouca manutenção, pois não é necessário substituir o lubrificante ou peças significativamente desgastadas pelo atrito. A confiabilidade do sistema é alta, pois os mancais passivos são simples no projeto e funcionam mesmo no caso de um desligamento total do sistema, até que o grupo turbo diminua sua velocidade substancialmente e possa descansar nos mancais auxiliares de partida.
[00038] A combustão externa elimina problemas de corrosão geral e corrosão sob tensão associados aos produtos de combustão em sistemas de combustão interna. Desta forma, os requisitos de qualidade do combustível (presença de agentes corrosivos, umidade, etc.) e tipo de combustível são minimizados (poder calorífico, velocidade da chama, etc.). Isso permite uma grande flexibilidade quanto ao tipo de combustível a ser utilizado, inclusive combustíveis sólidos como a biomassa. O calor residual de outros processos também pode ser usado sem a necessidade de combustível adicional.

Claims (11)

REIVINDICAÇÕES
1. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade com base no ciclo Rankine, caracterizado pelo fato de que compreende uma usina formada por uma ou mais turbinas radiais e / ou axiais conectadas a um gerador elétrico de fluxo axial, em que as referidas turbinas e o referido gerador elétrico são montados em um mesmo eixo, formando um conjunto turbina-gerador.
2. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido conjunto turbina-gerador é radialmente suportado por mancais magnéticos passivos, compreendendo um ou mais ímãs de anel móvel concêntrico com um ou mais ímãs de anel fixo, montados perto das extremidades do eixo.
3. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os referidos mancais magnéticos passivos têm registros axiais para absorver as diferenças de comprimento entre o estator e o rotor, garantindo seu alinhamento correto.
4. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o referido conjunto turbina-gerador é axialmente suportado e estabilizado por um ou mais mancais eletrodinâmicos passivos e mancais auxiliares convencionais para partida e parada.
5. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os referidos mancais eletrodinâmicos passivos compreendem discos condutores sólidos ou perfurados e um conjunto de ímãs permanentes voltados para uma configuração de repulsão.
6. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um dos referidos discos condutores e o referido conjunto de ímãs permanentes são fixados a um alojamento e o outro dos referidos discos condutores e o referido conjunto de ímãs permanentes são conectados ao eixo.
7. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um combustível compreende um combustível sólido, líquido ou gasoso.
8. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o referido conjunto turbina-gerador é alojado junto com os mancais magnéticos passivos e os mancais eletrodinâmicos passivos dentro de um recipiente vedado para conter a pressão do fluido de trabalho e livre de selos mecânicos.
9. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o gerador elétrico compreende canais de resfriamento internos através dos quais o fluido de trabalho flui impulsionado por forças viscosas entre o rotor e o estator.
10. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gerador elétrico tem baixa histerese e núcleos ferromagnéticos de alta resistência elétrica.
11. Dispositivo compacto de cogeração de calor e eletricidade, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as fontes de calor e resfriamento são externas ao ciclo térmico, de modo que o combustível é queimado externamente e o refrigerante não entra em contato com o fluido de trabalho.
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